1.1 低功耗广域网的起源与发展

LPWAN的技术特点是传统短距离无线物联网应用场景的延伸。LPWAN技术具有更广的覆盖范围，节点终端功耗低，网络结构简单，运营维护成本较低。尽管LPWAN的数据传送速率相对较低，但是已经能够满足远程抄表、智慧农业、资产跟踪、共享单车等小分组数据不频繁上报的应用场景，并且低功耗和广覆盖的特点能够使其部署和维护成本降低很多，因此低功耗广域网市场被认为是未来蜂窝物联网市场重要的发展方向。

图1-1所示为物联网无线通信技术的通信速率与覆盖范围的关系。从传输距离来划分，物联网无线通信技术可以分为短距离无线通信技术和低功耗广域网无线通信技术。短距离无线通信技术又可分为 ZigBee、Wi-Fi、Bluetooth、Z-wave等，主要在智能家居、智能建筑等领域有较好的应用。

低功耗广域网无线通信技术按照频段授权与否来划分，包括工作于未授权频段的远距离无线电（Long Range Radio,LoRa）、SigFox、随机相位多址接入（Random Phase Multiple Access,RPMA）等技术，以及工作于授权频段下的NB-IoT、增强型机器类型通信（enhanced Machine-Type Communication,eMTC）和全球移动通信系统（Global System for Mobile Communications,GSM）向物联网演进的技术[例如扩展覆盖 GSM-IoT（Extended Couerage-GSM-IoT, EC-GSM-IoT）]等。授权频段下的低功耗广域网最大的特点是可以复用现有蜂窝基站，通过网络升级即可进行大规模的覆盖。表1-1对低功耗广域网无线通信技术参数进行了对比。

1．免授权频段

（1）LoRa技术

LoRa 是低功耗局域网无线标准，该技术主要集中在美国 Semtech 公司，由Semtech公司研发。除自产LoRa芯片之外，该公司也授权其知识产权给其他企业，并在全球范围内成立了广泛的LoRa联盟。LoRa可以看作将ZigBee技术的通信覆盖距离进行扩展增加，以适应广域连接的要求。LoRa模块成本极低，具备功耗低、易于建设和部署、免授权频段节点的优点。相比 NB-IoT,LoRa 覆盖面更广且成本相对更低，支持灵活组网，但是随着设备和网络部署的增多，系统带内干扰情况加重；而且，技术过于集中不利于产业发展，布局LoRa还需要自建网络基础设施。

（2）SigFox技术

SigFox在2012年被Semtech公司收购。与LoRa不同的是，Semtech公司针对SigFox采用免费专利授权策略，其他同行不需要授权就能生产SigFox芯片。2017年就已经有超过71家设备制造商、49家物联网平台供应商、8家芯片厂商、15家模块厂商、30家软件和设计服务商加入该生态系统。SigFox 具有传输距离远、功耗低的特点。2021年，该系统已经在全球75个国家进行了部署，覆盖人数超过13亿，覆盖面积超过600万km2，具备全球性网络服务的能力。但是，SigFox传输速率仅为100 bit/s，并且其成本仍比LoRa高。

（3）RPMA技术

RPMA技术由美国Ingenu公司开发。在RPMA终端和基站的共同运作下，用户可以管理他们通信的容量、数据速率和范围。RPMA基站的网络覆盖能力极强，覆盖美国和欧洲大陆分别只需要619个基站和1 866个基站，可极大地降低物联网的建设及运营成本。RPMA系统容量大，在设备每小时传输100字节信息的业务模型下，采用 RPMA 技术可接入24.9万台设备。另外，RPMA采用全球统一的频段，可实现全球漫游；具备双向通信，可通过广播的方式对终端设备进行控制或升级。

（4）Weightless技术

Weightless技术标准由ARM和Neul推动，主要在欧洲国家应用。其标准体系的演变包括3个子集，即用于低功耗广域网应用的Weightless-P、用于宽带物联网应用的Weightless-W和用于超窄带应用的Weightless-N。Weightless支持Sub-1 GHz频段的全部频段，包括工业的、科学的、医学的频段和授权频段。

（5）HaLow技术

2010年，电气与电子工程师协会（Institute of Electrical and Electronics Engineers,IEEE）在Wi-Fi技术发展蓝图上规划802.11ah标准。该标准采用1 GHz以下的低频频段，可实现低功耗、长距离无线网络连接。2016年1月，802.11ah标准正式命名为 HaLow。HaLow 使用1 GHz 以下不包含空白电视信号频段（Television White Space,TVWS）的免授权频段，频道带宽分别为1/2/4/8/16 MHz，传输速率至少为1 Mbit/s，传输距离最长可达1 km。2016年12月，802.11ah Draft 9.0完成标准委员会核定程序。2021年，Wi-Fi联盟发布了针对Halow技术的设备认证标准，IDC研究员预计Halow芯片在2022年出货量将超过1千万。

2．授权频段

（1）NB-IoT技术

NB-IoT是一种从蜂窝物联技术向LPWAN过渡发展的技术，是在现有蜂窝通信的基础上为适应低功耗广域物联需求所做的改进，由移动通信运营商和设备商推动发展。NB-IoT技术基于蜂窝网络，单个资源块带宽只有180 kHz（版本升级后支持多个资源块共同传输），可直接部署于GSM、通用移动通信系统（Universal Mobile Telecommunications System,UMTS）或者长期演进技术（Long Term Evolution,LTE）网络。在性能方面，NB-IoT覆盖广，是GSM覆盖范围的10倍。NB-IoT的室内覆盖能力强，比LTE提升了100倍区域覆盖能力。在终端具有小分组不频发的业务模型情况下，NB-IoT 可以比现有无线技术提供50～100倍的接入数。该技术适合对功耗要求低、对穿透性和成本要求比较高的领域。作为 LPWAN 按照频段授权与否划分的两种技术的典型代表，关于NB-IoT和LoRa的比较已有很多讨论，主要是技术参数的对比。从LPWAN的各个协议标准中，很难单一从技术层面评价两种技术的高低，而且它们在市场上具有一定的互补性。如果抛开技术参数比较，NB-IoT工作在授权频段、频段安全性高、抗干扰能力强、服务质量有保障，而且对部署现场的空间结构、电源供应、运营商广域网络接入等无较高要求，网络部署成本较低。其可以通过升级现有的蜂窝网络基站来提供网络部署，比 LoRa 更方便，但是缺少网络自主性，因为NB-IoT对运营商的支持过于依赖，所以NB-IoT必须由运营商来部署。NB-IoT模块现在成本仍较高，随着使用量的增加，未来其成本将会降低。目前NB-IoT是中国比较主流的广域物联网技术。

（2）eMTC技术

eMTC由LTE协议演进而来，侧重物与物之间的通信需求。eMTC使用LTE技术体制的800/900/1 800/1 900/2 100 MHz等公众移动通信频段，1 447～1 467 MHz和1 785～1 805 MHz等专用通信频段，其下行峰值速率可达1 Mbit/s，是低功耗物联网中传输速率最高的一种。同时，它弥补了 NB-IoT 技术不可定位和不支持语音的缺陷，特别适用于智能物流、智能可穿戴设备、智能充电桩、智能公交站牌、公共自行车管理等需要定位和语音的应用场景。

（3）EC-GSM-IoT技术

EC-GSM-IoT是GSM向物联网演进的技术，其特点是通信可靠、安全，可与GSM混合部署，不需要额外的频段资源。不过，GSM终端的峰值功耗超过4 W，对电池的要求较高。同时，独立部署 EC-GSM-IoT 需要的最小组网频段是2.4 MHz，运营商规划频段难度大，很多运营商已决定GSM退网，所以该技术的产业链前景目前并不明朗。

目前，低功耗广域网的各种标准都在开拓市场。其中，NB-IoT 和 eMTC技术在政府和运营商的共同推动下呈现先机之势；同时，LoRa、RPMA等免授权频段也在一些垂直领域开始落地。可以预见的是，至少在未来相当长一段时间内，支持授权频段和免授权频段的低功耗广域网技术将并存。未来或将形成1～2个主流技术、多个针对特殊应用场景的补充技术的局面。

近年来，我国政府加强对集成电路产业的战略支持，但是国内进口芯片和出口芯片之间的逆差仍十分明显。我国半导体行业正面临严重缺“芯”的问题。除了华为技术有限公司（以下简称华为）主导的 NB-IoT 之外，其他的低功耗物联网的核心技术仍掌握在国外企业中。中国市场上的 LoRa、SigFox 等芯片主要依靠进口。NB-IoT在中国的发展归功于多方努力，不仅有华为作为企业方面的带动，政府的扶持和运营商的布局也将进一步推动 NB-IoT 成为中国市场的主流低功耗广域网解决方案。

图1-2和图1-3分别所示为NB-IoT技术在2013—2015年和2016—2020年的主要演变历程[3]。

从图1-2可知，2013年初名为LTE-M的技术，到2014年5月3GPP GERAN工作组立项改名为CIoT，再到2015年5月华为和高通共同宣布了NB-CIoT方案；同年8月，爱立信与几家公司共同提出了NB-LTE概念；9月，NB-CIoT和NB-LTE融合成为NB-IoT。从图1-3可知，2016年6月，NB-IoT核心标准在3GPP R13冻结，直到2017年6月，华为NB-IoT芯片Boudica 120大批量发货。这一系列动作表明，华为在NB-IoT的发展中起到了非常重要的推动作用。

NB-IoT与5G三大应用场景中的大连接场景契合，因此，2019年7月，第三代合作计划（The 3rd Generation Partnership Project,3GPP）正式向国际电信联盟-无线电通信部（International Tecommunication Union-Radiocommunication Sector, ITU-R）提交5G候选技术标准提案，其中NB-IoT被正式纳入5G候选技术集合，作为5G的组成部分与NR联合提交至ITU-R。

ITU-R对3GPP提交的5G标准提案进行复核后，于2020年7月下半年正式对外发布。此次NB-IoT技术被正式纳入5G集合，预示着NB-IoT已经具备平滑过渡到5G的能力，将作为5G时代的重要场景化标准持续演进，NB-IoT将在5G时代扮演重要的角色。同时，业界开始倾向以5G NB-IoT代替NB-IoT这一称谓。

除了以华为为代表的企业推动之外，工信部在2017年6月发布了《关于全面推进移动物联网（NB-IoT）建设发展的通知》，在2018年5月发布了《工业和信息化部 国资委关于深入推进网络提速降费加快培育经济发展新动能2018专项行动的实施意见》，具体内容如表1-2所示。

这两个文件都针对NB-IoT，并在推动该技术的发展中起到了非常重要的作用。根据全球移动通信系统协会（Global System for Mobile Association,GSMA）统计，截止到2020年9月，全球部署的5G NB-IoT累计达到97张，我国窄带物联网行业基站保有量约为91万个，2020年新增5G NB-IoT基站数量19万个；同时，根据物联传媒的公开资料显示，2020年全球5G NB-IoT连接数已经达到1.4亿，仅中国市场就突破了1亿，已应用至40多个行业的50多种业务[3]。

中国电信集团有限公司（以下简称中国电信）是三大运营商中首个完成覆盖全国的NB-IoT建设的运营商。另外，中国电信还是NB-IoT商用的推动者。2018年6月，中国电信与其他企业联合开发的基于NB-IoT技术的物联网智能锁商用，标志着NB-IoT技术在中国首次落地商用。截止到2020年年底，中国电信5G NB-IoT基站数量位居全球第一，保有量为46万个。

中国移动通信集团有限公司（以下简称中国移动）已经形成了覆盖云-管-端的物联网能力，物联网连接数突破2.3亿。同时，中国移动还新建了NB-IoT精品网络基础设施。在模组产品方面，自2016年11月中国移动联合中移物联网有限公司（以下简称中移物联）发布第一款产品以来，已经上市包括M5310～M5313系列和具有GNSS定位能力的N10SG等多款NB-IoT模组产品。截止到2020年年底，中国移动的5G NB-IoT基站保有量为35万个。

2017年第三季度（Quarter 3,Q3），中国联合网络通信集团有限公司（以下简称中国联通）的 NB-IoT 在全国11个省进行试商用；2018年第一季度（Quarter 1,Q1），全国核心网专网建成，具备全网统一接入能力。中国联通已实现在全国300个城市的NB-IoT连接服务。截止到2020年年底，中国联通5G NB-IoT基站保有量为10万个。

在三大运营商的积极网络建设下，目前我国已实现主要城市、乡镇以上区域连续网络覆盖，为各类行业应用的发展奠定良好的网络基础，推动5G NB-IoT相关产业持续发展。